【正文】 36 附錄圖 1 主電路圖 ....................................36 附錄圖 2 控制電路圖 ..................................37 附錄圖 3 主程序流程圖 ................................38 附錄圖 4 主程序梯形圖 ................................39 1 一、 緒論 水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。GDGMQR03074B/1 Guangdong College of Industry amp。 變頻恒壓供水技術(shù)具有較先進(jìn)的技術(shù)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)約電能、自動(dòng)化程度高等有點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)介紹的是關(guān)于變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，因?yàn)樽冾l恒壓供水系統(tǒng)有高效節(jié)能，恒壓供水，安全衛(wèi)生，自動(dòng)運(yùn)行， 管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)在的人們的需求。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿 足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器 外 ， 提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載的容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只能適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。它采用微機(jī)控制技術(shù)：電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。 通過(guò)對(duì)以上這兩種方案的比較和分析，可以看出第二種控制方案更適合于本系統(tǒng)。通常由 5 異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。 f— 電源頻率 （ Hz）； p— 磁極對(duì)數(shù) 。 s— 轉(zhuǎn)差率 ； 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門(mén)的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 (2)信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控 制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng) 變頻 泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的 ； 當(dāng) 變頻 泵和工頻泵都在運(yùn)行且 變頻 泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。 當(dāng) 輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。主要設(shè)備選型如表所示： 11 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào) 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 水泵 4 臺(tái) 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。 。壓力表測(cè)量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA 電流信號(hào)，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。 14 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、V、 W 通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。 PLC 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下： (1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM2 線圈得電， 1水泵變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點(diǎn)亮，同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。 (4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制 功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護(hù)措施； (4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn) 工頻泵的輪換工作。 (1)系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。 (5) 各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序 水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為 0~100HZ，則上下限給定值分別為 16000 和 6400。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：理論計(jì)算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對(duì)象 WO(s)和測(cè)量變送 Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法。 恒壓供水在日常生活中非常重要，基于 PLC 和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的生活恒壓供水控制系統(tǒng) 可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度快。典型生產(chǎn)線原理、安裝與調(diào)試（西門(mén)子 PLC 版本），北京理工大學(xué)出版社 [4] 張建奇單片機(jī)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) [M]， 35 致謝 首先衷心的感謝我的論文指導(dǎo)老師劉益標(biāo)老師。如果沒(méi)有老師、同學(xué)和朋友的幫助，設(shè)計(jì)的工作是難以順利完成的，在此再一次表示衷心的感謝。在此特向劉老師表示深深的謝意和崇高的敬意。 PLC 編程及應(yīng)用 [M].機(jī)械工業(yè)出版社， [9] 金以慧主編因此，有待進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能突破更好的應(yīng)用與生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。 當(dāng) T???時(shí)， 0. 0812. 60. 6TT?? ????? ? 計(jì)算的： 3?? ， 240IT? PI 控制器的傳遞函數(shù)為： 1 1 2 4 0 1( ) 13 2 4 0 7 2 0C sWs ss ???? ? ????? 33 五、 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)針對(duì)城市小區(qū)供水的特點(diǎn)，構(gòu)想了一套基于 PLC 的變頻 工頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實(shí) 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分 控制原理框圖 PID 控制規(guī)律為 ： 1 ( )( ) ( ) ( )pdid e ty t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? 式中： Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)。 22 初始化子程序 SBR_0梯形圖 (2) PID 控制中斷子程序 首先將由 AIW0 輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò) PID 運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由 AQW0 輸出模擬信號(hào)。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的 指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。 (3) 水泵的軟啟動(dòng)程序 20 增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采 取時(shí)間濾波。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC的擴(kuò)展模塊 EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān) SA1 用來(lái)控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入 ；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開(kāi)關(guān) SB9 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作 。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。同理，可以通過(guò)按下 SB SB SB7 啟動(dòng)電機(jī) M M M4，通過(guò)按下 SB SB SB8 來(lái)使電機(jī) M M M4 停機(jī)。 下 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。 （二） 統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如 下 圖所示：四臺(tái)電機(jī)分別為 M MM M4，它們分別 帶動(dòng)水泵 4。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺(tái)。另外選擇西門(mén)子的變頻器可以通過(guò) RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門(mén)子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。 SIEMENS 公司的 PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富 的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管